Моделирование теплового режима термоскважин геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения. Ч. I. Учет замерзания поровой влаги в грунте

摘要

Представлены математические модели новых блоков программного комплекса INSOLAR.GSHP.12, моделирующего нестационарный тепловой режим геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ). Новые модельные блоки учитывают влияние замерзания поровой влаги в грунте на эффективность эксплуатации ГТСТ. Иллюстрируется необходимость учета процессов замерзания/оттаивания поровой влаги в грунте, содержатся результаты исследований, посвященных открывающимся возможностям создания адаптивных систем ГТСТ с управляемой интенсивностыо теплообмена в системе грунт - термоскважина. Программной реализации процессов изменения фазового состояния поровой влаги в грунте предшествовала разработка математического представления теплового режима грунтового массива с замораживанием/оттаиванием поровой влаги, описание которого также приводится. При построении математической модели для учета скрытой теплоты фазового перехода, выделяющейся при замораживании влаги, было введено понятие "эффективная теплопроводность" грунта, которая складывается из собственно коэффициента теплопроводности грунта и дополнительного члена, корректирующего теплопроводность для учета влияния фазового перехода. Для количественной оценки составляющей эффективности теплопроводности грунта, которая отвечает за учет влияния фазового перехода, определен радиус зоны промерзания грунта вокруг термоскважины. Полученные аналитические решения были реализованы в виде блоков программы, и в дальнейшем был проведен "численный эксперимент" по оценке влияния замораживания/оттаивания поровой влаги на тепловой режим грунта. В ходе этого эксперимента было продемонстрировано, что теплопроводности грунта без учета фазовых переходов замораживания/оттаивания поровой влаги и с их учетом могут различаться в 2 раза и более, из чего был сделан вывод о важности учета явлений фазовых переходов при моделировании параметров термоскважин и ГТСТ в целом.